まず、ダイオード 1 個と抵抗１個からなるクリップ回路のシミュレーションを行ないます。 うことで、OrCAD PSpice のシミュレーションの概要を学んでいきます。OrCAD PSpice では 様々なシミュレーションが可能ですが、ここでは、入力を変化させ出力が時間とともにどのよ うに変化するかをシミュレーションする過渡解析（トランジェント解析）を行ないます。
１．１ 起動とプロジェクトの新規作成
OrCAD PSpice を使って回路をシミュレーションする場合、ネットリストというファイルをエ ディタで作成してもよいのですが、OrCAD Capture というソフトウェアで回路図を描いてシミ ュレーションを行なうのが一般的です。そこで、先ず OrCAD Capture を起動します。 ①［スタート］をクリックします。 ②［全てのプログラム］をポイントします。 ③［OrCAD 15.7 Demo］をポイントします。 ④［OrCAD Capture CIS Demo］をクリックします。第１章
初めての PSpice
①クリック ②ポイント ③ポイント ④クリック
OrCAD Capture が起動し、図 1.2 のようなウインドウが表示されます。 図1.2 OrCAD Capture の起動画面 次に、プロジェクトの作成を行ないます。 ⑤[File]をクリックします。 ⑥[New]をポイントします。 ⑦[Project]をクリックします。 図1.3 Project の作成 ⑤クリック ⑥ポイント ⑦クリック
New Project ダイアログボックスが表示されます。
図1.4 New Project ダイアログボックス
⑧プロジェクト名を入力します。ここでは、「clip1」という名前にしますので、「clip1」と入力 してください。
⑨[Analog or Mixed A/D] をクリックにより選択します。PSpice のシミュレーシの場合、これ を選択します。 ⑩[Browse]ボタンをクリックすると保存場所を指定するためのダイアログボックスが表示さ れますので、プロジェクトを保存する場所を指定してください。 ⑪[OK]ボタンをクリックします。 図1.5 New Project ダイアログボックス ⑧プロジェクト名の入力
⑥[Analog or Mixed A/D] をクリック ⑦クリックにより表示さ れたダイアログボックス で、プロジェクトの保存 場所を指定 ⑪クリック
Create PSpice Project ダイアログボックスが表示されます。 ⑫[Create a blank project] をクリックにより選択します。 ⑬[OK]ボタンをクリックします。 図1.6 New Project ダイアログボックス Clip1 という新しいプロジェクトが生成され、Capture の画面が図 1.7 のようになります。 図1.7 プロジェクト作成後の Capture の画面 ⑫クリック ⑬クリック
１．２ 回路図の作成
１．２．１ ダイオードの配置
まず、ダイオードを配置します。
①Place Part ボタン ボタンをクリックします。（または、メニューバーの[Place]→[Part]）
図1.8 Place Part ボタン
②[Add Library]ボタンをクリックします。
図1.9 Place Part ダイアログボックス
②クリック ①クリック
ダイオードは、breakout.olb というライブラリーに入っていますので、このライブラリーを追 加し、その中のダイオードDbreak を選択します。
③breakout.olb をクリックします。 ④[開く]ボタンをクリックします。
図1.10 breakout ライブラリーの追加
⑤Part List の中の Dbreak をクリックにより選択します。 ⑥[OK]ボタンをクリックします。 図1.11 ダイオードの選択 ③クリック ④クリック ⑤クリック ⑥クリック
⑦クリックによりダイオードを回路図上に配置します。 ⑧[Esc]キーを押して配置モードを終了します。 （または、マウスの右ボタンをクリックし、[End Mode] を選択します。） ⑨[R]キーを押して部品を回転します。 （または、マウスの右ボタンをクリックし、[Rotate] を選択します。） 図1.12 ダイオードの配置 部品を配置した時、または部品をクリックにより選択した時に表 1.1 の操作を行なうと、部 品を回転または反転することができます。 表1.1 部品の回転反転操作 機能 キー操作 マウス操作 回転 R キー マ ウ ス の 右 ボ タ ン を ク リ ッ ク し 、 [Rotate]をクリックする 上下反転 V キー マ ウ ス の 右 ボ タ ン を ク リ ッ ク し 、 [Mirror Vertically]をクリックする 左右反転 H キー マ ウ ス の 右 ボ タ ン を ク リ ッ ク し 、 [Millor Horizontally]をクリックする
１．２．２ 抵抗の配置
次に、抵抗を配置します。
①Place Part ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[Place]→[Part]）
図1.13 Place Part ボタン
②[Add Library]ボタンをクリックします。
図1.14 Place Part ダイアログボックス
①クリック
抵抗は、analog.olb というライブラリーに入っていますので、このライブラリーを追加し、 その中のダイオードR を選択します。 ③analog.olb をクリックします。 ④[開く]ボタンをクリックします。 図1.15 analog ライブラリーの追加 ⑤Part List の中の R をクリックにより選択します。 ⑥[OK]ボタンをクリックします。 図1.16 抵抗の選択 ③クリック ④クリック ⑤クリック ⑥クリック
⑦クリックによりダイオードを回路図上に配置します。 ⑧[Esc]キーを押して配置モードを終了します。 （または、マウスの右ボタンをクリックし、[End Mode] を選択します。） 図1.17 抵抗の配置
１．２．３ 交流電圧源の配置
次に、交流電圧源を配置します。①Place Part ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[Place]→[Part]）
図1.18 Place Part ボタン
②[Add Library]ボタンをクリックします。 図1.19 Place Part ダイアログボックス 交流電圧源は、source.olb というライブラリーに入っていますので、このライブラリーを追 加し、その中の交流電圧源vsin を選択します。 ③source.olb をクリックします。 ④[開く]ボタンをクリックします。 図1.20 source ライブラリーの追加 ②クリック ③クリック ④クリック
⑤Part List の中の R をクリックにより選択します。 ⑥[OK]ボタンをクリックします。 図1.21 抵抗の選択 ⑦クリックにより交流電圧源を回路図上に配置します。 ⑧[Esc]キーを押して配置モードを終了します。 （または、マウスの右ボタンをクリックし、[End Mode] を選択します。） 図1.22 交流電圧源の配置 ⑤クリック ⑥クリック
１．２．４ グランドの配置
次に、グランドを配置します。
①Place ground ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[Place]→[Ground]）
図1.23 Ground ボタン ②0/SOURCE をクリックにより選択します。 ③[OK]ボタンをクリックします。 図1.24 グランドの選択 ④クリックによりグランドを回路図上に配置します。 ①クリック ②クリック ③クリック
⑤[Esc]キーを押して配置モードを終了します。
（または、マウスの右ボタンをクリックし、[End Mode] を選択します。）
図1.25 交流電圧源の配置
１．２．５ 配線
①Place Wire ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[Place]→[Wire]）
交流電圧源と抵抗を接続します。 ①交流電圧源の上の接続点でクリックします。 ②抵抗の左の接続点でクリックします。 図1.24 交流電圧源と抵抗の接続 抵抗とダイオードを接続します。 ③抵抗の右の接続点でクリックします。 ④ダイオードの上の接続点でクリックします。 図1.25 抵抗とダイオードの接続 ①クリック ②クリック ③クリック ④クリック
ダイオードとグランドを接続します。 ⑤抵抗の右の接続点でクリックします。 ⑥ダイオードの上の接続点でクリックします。 図1.26 ダイオードとグランドの接続 交流電圧源とグランドの接続を接続します。 ⑤交流電圧源の下の接続点でクリックします。 ⑥ダイオードとグランドをつないだ配線の上でクリックします。 図1.25 交流電圧源とグランドの接続 ⑦クリック ⑧クリック ⑤クリック ⑥クリック
１．２．６ 部品の値の設定
交流電圧源のオフセット電圧VOFF=0V、振幅 VAMPL=５V、周波数 FREQ=50Hz に設定し ます。まず、オフセット電圧VOFF から設定していきます。オフセット電圧とは、交流電圧源 の直流成分です。ここでは、0V に設定します。 ①交流電圧源の横のVOFF という文字をダブルクリックします。 図1.26 交流電圧源の値の設定 パーツの値を設定するためのダイアログボックスが表示されます。 ②Value に 0 と入力します。 ③[OK]ボタンをクリックします。 図1.27 VOFF の設定 ①ダブルクリック ③クリック ②入力
振幅を５V に設定します。 ④VAMPL をダブルクリックします。 パーツの値を設定するためのダイアログボックスが表示されます。 ⑤Value に５と入力します。 ⑥[OK]ボタンをクリックします。 周波数を50Hz に設定します。 ⑦FREQ をダブルクリックします。 パーツの値を設定するためのダイアログボックスが表示されます。 ⑧Value に 50 と入力します。 ⑨[OK]ボタンをクリックします。 図1.28 のように各値が回路図上に表示されていれば交流電圧源の設定は完了です。 図1.28 交流電圧源の値の設定終了
１．３ シミュレーション
1.3.1 シミュレーション設定
PSpice のシミュレーションには種々の種類がありますが、ここでは、過渡解析を行なうため の設定を行ないます。1 つの回路に対して複数のシミュレーションを行なうことができるため、 各シミュレーションに名前をつける必要があります。
①New Simulation Profile ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[PSpice]→ [New Simulation Profile]）
図1.29 New Simulation Profile ボタン
New Simulation ダイアログボックスが表示されます。 ② シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 名 を 入 力 し ま す 。 ど の よ う な 名 前 を つ け て も よ い の で す が 、 こ こ で は 、 「tran」と入力することにします。 ③[Create]ボタンをクリックします。 図1.30 New Simulation ダイアログボックス ③クリック ③シミュレーション名 の入力 ①クリック
Simulation Settings ダイアログボックスが表示されます。 ④Run to time に 100ｍ と入力します。
⑤Maximum step size に 0.1ｍ と入力します。 ⑥[OK]ボタンをクリックします。
図1.31 Simulation Settings ダイアログボックス
Run to time は、シミュレーション時間です。あまり大きく設定すると解析時間が長くなり ます。Maximum step size は、シミュレーションに利用される内部時間間隔の最大値で、出力 波形が滑らかでない場合に指定します。小さく設定しすぎると、解析時間が長くなります。
１．３．２ 波形表示ポイントの指定
入力電圧と出力電圧を表示しましょう。 ①Voltage/Level Marker ボタン をクリックします。 ②交流電圧源の上端とダイオードの左端を接続している配線上でクリックします。 ③ダイオードの右端と抵抗の上端を接続している配線上でクリックします。 図1.31 波形表示ポイントの指定 ④Run to time の入力⑤Maximum step size の入力
⑥クリック
１．３．３ シミュレーションの実行
シミュレーションを実行しましょう。
①Run PSpice ボタン をクリックします。（または、メニューバーの[PSpice]→[Run]） 図1.33 のようなウインドウが表示され結果が表示されます。
図1.32 シミュレーションの実行
図1.33 シミュレーション結果 ①クリック
１．４ シミュレーション結果の加工
１．４．１ グラフの分割
入力波形と出力波形を別のグラフに表示されています。
①または、メニューバーの[Plot]→[Add Plot to Window]をクリックします。
②移動したいグラフの凡例をクリックにより指定します。 図1.34 移動したいグラフの指定 ③[Ctrl]キーを押した状態で、[X]キーを押し選択しているグラフを消去します。 （または、メニューバーの[Edit]→[Delete]） 図1.35 移動したいグラフの削除 ①クリック
④上のグラフ領域をクリックにより指定します。 ⑤[Ctrl]キーを押した状態で、[P]キーを押し選択して今削除したグラフを貼り付けます。 （または、メニューバーの[Edit]→[Past]） 図1.36 移動したいグラフの貼り付け
１．４．２ シミュレーション結果のワープロ等へのコピー
①メニューバーの[Windows]→[Copy to Clipboard]をクリックします。 ②ダイアログボックスが表示されますので、[OK]をクリックします。 ③ワープロ等のソフトに移動し、[Ctrl]キーを押した状態で、[P]キーを押し貼り付けます。 図1.37 シミュレーション結果のワープロ等へのコピー ④グラフ領域内でクリック１．４．３ 軸の設定変更
X 軸の設定を変更し、60ms から 80ms の部分を表示するようにします。 ①メニューバーの[Plot]→[Axis Settings]をクリックすます。 図1.38 軸の設定変更 ②User Defined をクリックにより選択します。 ③テキストボックスにｘ軸の範囲の60ms と 80ｍs 入力します。 ④[OK]ボタンをクリックします。 図1.39 Axis Setting ダイアログボックス ②クリック ④クリック ③X 軸の範囲 を入力図1.40 のように X 軸の設定が変更され、60ms から 80ms の部分のみが表示されるようになり ます。 図1.40 X 軸の設定変更終了 Y 軸の設定変更も同様です。 ①メニューバーの[Plot]→[Axis Settings]をクリックすます。 ②Y Axis というタブをクリックします。 ③User Defined をクリックにより選択します。 ④テキストボックスにY 軸の範囲を入力します。 ⑤[OK]ボタンをクリックします。 図1.41 Y 軸の設定変更 ③クリック ⑤クリック ④Y 軸の範囲 を入力 ②クリック
終了
ダイオードの基本的な性質を知ると共に、ダイオードの静特性のシミュレーションを行ない ます。次に、ダイオードを用いた波形整形回路、交流信号から直流信号を作り出す整流回路の シミュレーションを行ないます。
２．１ ダイオードの性質
図2.1 は、ダイオードの回路記号です。ダイオードは、アノード、カソードと呼ばれる 2 つ の端子を持っており、アノードからカソードの向きには電流をよく流すが、カソードからアノ ードの向きには電流をほとんど流しません。電流をよく流す方向を順方向、流さない方向を逆 方向と言います。このように、一方向しか電流を流さない性質を整流作用と言います。 図2.1 ダイオードの回路記号 ダイオードは、順方向のときオン、逆方向のときオフするスイッチと考えることもできます。 順方向 オン 逆方向 オフ 図2.2 ダイオードのスイッチモデル 実際のダイオードでは、オンさせるために 0.7V の電圧が必要であり、そのためオン状態の ときにアノードとカソードの間に 0.7V の電位差が常に発生します。この電圧をダイオードの 順方向電圧といいます。これを考慮したダイオードのモデルが図2.3 です。 順方向 オン 逆方向 オフ 図2.３ 順方向電圧を考慮したダイオードのモデル第２章
ダイオード
アノード カソード２．２ ダイオードの静特性
ダイオードに付加を接続しない状態、つまりダイオード単体の電圧-電流特性を静特性といい ます。１章では、時間と共に入力が変化し、そのときの出力の様子を解析する過渡解析という シミュレーションを行ないました。ここでは、直流的な性質を調べるDC 解析を行ないます。２．２．１ 回路図の作成
図2.4 の回路が、ダイオードの静特性を解析するための回路図です。ダイオードとこれに印 加する直流電圧源のみのシンプルな回路です。なお、 V1 の直流電圧源は、source というライ ブラリー内のVDC という部品です。 図2.4 ダイオードの静特性の解析用回路２．２．２ 波形表示ポイントの指定
図2.5 のように波形表示ポイントを設定します。なお、電流を表示させるためには、 ①Current Marker ボタン をクリックします。 ②ダイオードの上端でクリックします。Current Marker は接続端子に付ける事ができません。 図2.5 波形表示ポイントの設定 ②クリック ①クリック２．２．３ シミュレーション
New Simulation Profile ボタン をクリックし、シミュレーション名をつけた後、図 2.6 のようにシミュレーションの設定を行ないます。
①Analysis type で DC Sweep を設定します。
②Voltage source Name で電圧を変化させたい電圧源を指定します。
③Start value と End vale で変化させる電圧の範囲を指定します。ここでは、-1 と 1 とします。 ④Increment で電圧の増分を指定します。ここでは、0.01 とします。 ⑤[OK]ボタンをクリックします。 図2.6 DC 解析のシミュレーション設定 Run PSpice ボタン をクリックすると、図2.7 の結果が表示されます。 これより、ダイオードは、負の電圧を印加した時は電流が流れず、正の電圧が 0.7V を越え た付近から急激に電流が流れ出すことが分かります。 図2.7 DC 解析のシミュレーション設定 ①DC Sweep を選択 ② 電 圧 源 名 を 入力 ③ 変 化 さ せ る 範囲を入力 ⑤クリック
２．３ 波形整形回路
ある基準電圧より高い部分や低い部分をカットしたり取り出したりする回路をクリップ回路 （クリッパ）といいます。ダイオードと抵抗を使った4 種類のクリッパ回路のシミュレーショ ンを示します。２．３．１ ダイオード並列形クリップ回路（正の電圧をカット）
この回路は、第1 章でシミュレーションした回路です。入力電圧が負のときは、ダイオード がオフ状態なので交流電圧源の電圧がそのまま出力されます。、入力電圧が0.7V を超えるとダ イオードがオン状態になり出力は常に0.7V が出力されます。つまり、この回路は 0.7V より高 い電圧をカットすることができます。 図2.8 ダイオード並列形クリップ回路（正の電圧をカット） 図2.9 図 2.8 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(R1:1) -5.0V 0V 5.0V V(R1:2) -5.0V 0V 5.0V SEL>> V(R1:2) 図2.10 図 2.8 の回路のシミュレーション結果２．３．２ ダイオード並列形クリップ回路（負の電圧をカット）
入力電圧が正のときは、ダイオードがオフ状態なので交流電圧源の電圧がそのまま出力され ます。また、入力電圧が-0.7V より低くなるとダイオードがオン状態になり常に-0.7V を出力 します。つまり、この回路は-0.7V より低い電圧をカットすることができます。 図2.11 ダイオード直列形クリップ回路（正の電圧をカット）の回路図 図2.12 図 2.11 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(R1:1) -5.0V 0V 5.0V SEL>> V(R1:1) V(R1:2) -5.0V 0V 5.0V 図2.13 図 2.11 の回路のシミュレーション結果２．３．３ ダイオード直列形クリップ回路（負の電圧をカット）
入力電圧が正のときは、ダイオードがオン状態なので交流電圧源の電圧より、ダイオードの 順方向電圧 0.7V だけ低い電圧が出力されます。また、入力電圧が負になるダイオードがオフ 状態になり常に 0V を出力します。つまり、この回路は 0V より低い電圧をカットすることが できます。 図2.14 ダイオード直列形クリップ回路（正の電圧をカット）の回路図 図2.15 図 2.14 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(D1:2) -5.0V 0V 5.0V V(D1:2) V(V1:+) -5.0V 0V 5.0V SEL>> 図2.16 図 2.14 の回路のシミュレーション結果２．３．４ ダイオード直列形クリップ回路（正の電圧をカット）
入力電圧が負のときは、ダイオードがオン状態なので交流電圧源の電圧より、ダイオードの 順方向電圧 0.7V だけ高い電圧が出力されます。また、入力電圧が正になるダイオードがオフ 状態になり常に 0V を出力します。つまり、この回路は 0V より高い電圧をカットすることが できます。 図2.17 ダイオード直列形クリップ回路（負の電圧をカット）の回路図 図2.18 図 2.17 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(D1:1) -5.0V 0V 5.0V SEL>> V(D1:1) V(V1:+) -5.0V 0V 5.0V 図2.19 図 2.17 の回路のシミュレーション結果２．４ 整流回路
交流電圧から直流電圧を生成する回路を整流回路といいます。ここでは、半波整流回路とブ リッジ型全波整流回路の２つのシミュレーションを示します。２．４．１ 半波整流回路
正の電圧が印加されると、ダイオードがオン状態となりコンデンサに電荷が充電されます。 入力電圧がコンデンサの電圧より下がると、ダイオードはオフ状態となり、その間はコンデン サから電流が供給され抵抗R1 に流れます。 図2.20 半波整流回路の回路図 図2.21 図 2.20 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(R1:1) -200V 0V 200V V(R1:1) V(D1:1) -200V 0V 200V SEL>> 図2.22 図 2.20 の回路のシミュレーション結果２．４．２ ブリッジ型全波整流回路
正の電圧が印加されると、ダイオードが D2 と D4 がオン状態となりコンデンサは右側プラ ス、左側マイナスに充電されます。負の電圧が印加されると、D1 と D3 がオン状態となり、先 ほどと同様、コンデンサは右側プラス、左側マイナスに充電されます。半波整流回路と比べて、 半周期ごとに充電が行なわれるためリップル（揺れ）が少ないことが分かります。出力は、コ ンデンサ両端から取り出します。2 点間の電圧を表示させるには、Voltage Differential Marker ボタン をクリックし、回路図上の2 点をクリックにより指定します。 図2.23 ブリッジ型全波整流回路の回路図 図2.24 図 2.23 の回路のシミュレーション設定 Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(D3:2,R1:1) -200V 0V 200V SEL>> V(D3:2,R1:1) V(V1:+) -200V 0V 200V 図2.25 図 2.23 の回路のシミュレーション結果
バイポーラトランジスタの基本的な性質を知ると共に、トランジスタの静特性のシミュレー ションを行ないます。次に、バイポーラトランジスタを用いた増幅回路のシミュレーションを 行ないます。
２．１ トランジスタの性質
図2.1 は、ダイオードの回路記号です。ダイオードは、アノード、カソードと呼ばれる 2 つ の端子を持っており、アノードからカソードの向きには電流をよく流すが、カソードからアノ ードの向きには電流をほとんど流しません。電流をよく流す方向を順方向、流さない方向を逆 方向と言います。このように、一方向しか電流を流さない性質を整流作用と言います。第３章
バイポーラトランジスタ
入力特性 V_V1 0V 200mV 400mV 600mV 800mV IB(Q1) IB(Q1) 0A 10uA 20uA 30uA
電流伝達特性
I_I1
0A 5uA 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA
IC(Q1) 0A 1.0mA 2.0mA 3.0mA IC(Q1)
V_V1 0V 1.0V 2.0V 3.0V 4.0V 5.0V IC(Q1) 0A 1.0mA 2.0mA 3.0mA 4.0mA IC(Q1)
基本的な増幅回路 Time 0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms IC(Q1) 0A 2.0mA 4.0mA SEL>> IB(Q1) 0A 20uA 40uA
